หม้อแปลงเป็นอุปกรณ์ที่ใช้เชื่อมโยงระหว่างระบบไฟฟ้า ที่มีแรงดันไฟฟ้าต่างกัน โดยจะทำหน้าที่เพิ่มหรือลดแรงดันไฟฟ้าให้เหมาะกับการส่ง การจ่าย และการใช้พลังงานไฟฟ้า หม้อแปลงจึงนับเป็นอุปกรณ์ที่สำคัญอย่างหนึ่งในบรรดาอุปกรณ์ไฟฟ้าทั้งหลาย การขัดข้องหรือการชำรุดเสียหายของหม้อแปลง มักมีผลกระทบต่อการใช้ไฟฟ้า หรือกระบวนการผลิตอย่างมากและเป็นเวลานาน ดังนั้นหม้อแปลงนอกจากจะต้องถูกออกแบบผลิต ติดตั้งอย่างถูกต้องและมีคุณภาพแล้ว การใช้งานและการดูแลรักษาก็เป็นปัจจัยสำคัญที่จะหลีกเลี่ยงการขัดข้องหรือการชำรุดเสียหายดังกล่าวได้

ชนิดของหม้อแปลง       

หม้อแปลงถูกแบ่งออกเป็นชนิดต่าง ๆ ได้หลายวิธี เช่น แบ่งตามโครงสร้าง ได้แก่ ชนิดแกน (Core Type) และชนิดเปลือกรอบ (Shell Type) หรือแบ่งตามตัวกลางที่ใช้เป็นฉนวนและตัวระบายความร้อน ได้แก่ ก๊าซ SF6 และน้ำมันหม้อแปลง สุดท้ายแบ่งตามกำลังไฟฟ้าที่จ่ายออกไป ได้แก่ หม้อแปลงที่มีขนาดมากกว่า 2500 kVA ขึ้นไป เรียกว่า หม้อแปลงไฟฟ้ากำลัง (Power Transformer) ซึ่งจะอยู่ตามสถานีย่อยไฟฟ้า ส่วนหม้อแปลงที่มีขนาดตั้งแต่ 2500 kVA ลงมาจะเรียกว่า หม้อแปลงจำหน่าย (Distribution Transformer)      

ในที่นี้ขอกล่าวถึงหม้อแปลงจำหน่ายชนิด OIDT (Oil Immersed Distribution Transformer) ซึ่งเราจะพบเห็นได้ทั่วไปตามเสาไฟฟ้า ซึ่งภายในจะใช้น้ำมันหม้อแปลงเป็นฉนวนและตัวระบายความร้อน

ส่วนประกอบของหม้อแปลง

หม้อแปลงไม่ว่าจะมีขนาดเท่าไหร่ จะมีส่วนประกอบหลักต่าง ๆ ที่เหมือนกัน ส่วนหม้อแปลงขนาดใหญ่จะมีอุปกรณ์ช่วย (Accessories) มากขึ้นกว่าหม้อแปลงขนาดเล็ก ส่วนประกอบที่สำคัญมีดังนี้

1. Conservator คือที่เก็บน้ำมันหม้อแปลงสำรองสำหรับการขยายตัวและหดตัวของน้ำมันหม้อแปลง และจ่ายน้ำมันชดเชยเมื่อหม้อแปลงเกิดรั่วซึม เพื่อให้น้ำมันหม้อแปลงอยู่เต็มภายในหม้อแปลงตลอดเวลา โดยทั่วไปจะมีปริมาตร 10 % ของน้ำมันในหม้อแปลง ลักษณะ Conservator จะมีเป็นถังติดตั้งอยู่สูงกว่าถังหม้อแปลง ภายในบรรจุน้ำมันหม้อแปลงไว้ มี Oil Live Gauge อยู่ภายนอกสำหรับบอกระดับของน้ำมัน ใน Conservator มีท่อใหญ่ต่อระหว่างน้ำมันใน Conservator ผ่านบูชโฮลรีเลย์ (Buchholz Relay) ลงสู่ส่วนบนของหม้อแปลง ด้านที่เป็นอากาศของ Conservator จะมีท่อเล็ก ๆ ต่อลงมาด้านล่างและต่อเข้ากับ Air Dryer สำหรับดักความชื้นของอากาศก่อนที่จะเข้าสู่ Conservator

รูปที่ 1 แสดงการติดตั้งของ Conservator และ Air Dryer

2. Air Dryer ภายในบรรจุสารดูดความชื้นไว้เพื่อดูดความชื้นในอากาศก่อนที่จะเข้าสู่ Conservator สารดูดความชื้นที่ใช้กันมากคือ Silica Gel ซึ่งทำมาจาก Silica Acid ผสมกับ Cobalt Salt มีลักษณะเป็นเม็ดสีน้ำเงิน สามารถดูดความชื้นได้ประมาณ 40% ของน้ำหนักตัวมันเอง จากนั้น Silica Gel จะเปลี่ยนเป็นสีแดง เราสามารถเอา Silica Gel ไปอบไล่ความชื้นได้ที่อุณหภูมิ 100 องศาเซลเซียส จนกลายเป็นสีน้ำเงิน แล้วกลับนำมาใช้ใหม่ ส่วนล่างของ Air Dryer เป็นถ้วยสำหรับใส่น้ำมันหม้อแปลงซึ่งมีน้ำมันบรรจุอยู่เล็กน้อย มีหน้าที่ป้องกันไม่ให้ Silica Gel สัมผัสกับอากาศภายนอกตลอดเวลา และป้องกันฝุ่นเข้าไปในหม้อแปลงอีกด้วย

รูปที่ 2 แสดง Air Dryer

3. บูชโฮลรีเลย์ (Buchholz Relay) ต่ออยู่ระหว่างหม้อแปลงกับ Conservator ของหม้อแปลง มีหน้าที่ตรวจจับความผิดปกติที่เกิดขึ้นภายในหม้อแปลง กล่าวคือ เมื่อมีความผิดปกติ ความร้อนจะทำให้เกิดก๊าซขึ้น กรณีที่ความผิดปกติไม่รุนแรงก๊าซจะเกิดขึ้นช้า ๆ ก๊าซที่เกิดขึ้นจะมาแทนที่น้ำมันที่ส่วนบนของบูชโฮลรีเลย์ ทำให้ลูกลอยลูกบนลดระดับลงจนถึงระดับหนึ่ง สัญญาณ Alarm ก็จะดังขึ้นเตือนให้ทราบ

รูปที่ 3 แสดงบูชโฮลรีเลย์

4. Pressure-Relif Vent เป็นเครื่องมือสำหรับลดความดันภายในหม้อแปลง ติดตั้งบริเวณข้างตัวถัง ภายในมีแผ่น Diaphragm ปิดอยู่ ซึ่งถูกกดด้วยแรงสปริง ประมาณ 0.7 Bar เมื่อความดันภายในหม้อแปลงเกินกำหนด ซึ่งอาจจะเนื่องมาจากการเกิด Short Circuit ภายในหม้อแปลง ความดันที่เกิดขึ้นจะดันแผ่น Diaphragm ให้ชนะแรงสปริง ทำให้น้ำมันไหลออกมาสู่ภายนอกได้ เป็นการลดความดันภายในหม้อแปลง Contact ที่อยู่ข้าง Pressure-Relif Vent ก็จะทำงานตัดไฟเข้าออกหม้อแปลง เมื่อความดันลดลง สปริงจะกดแผ่น Diaphragm ให้กลับสู่สภาพเดิม

รูปที่ 4 แสดง Pressure-Relif Vent

5. Tap Changer เป็นอุปกรณ์ที่ใช้เปลี่ยนจำนวนรอบของขดลวดหม้อแปลงเพื่อให้ได้แรงดันไฟฟ้าทางด้านโหลดตามต้องการ โดยทั่ว Tap Changer ของหม้อแปลงจะอยู่ทางด้านขดลวดแรงสูงเพราะมีจำนวนรอบมากและมีกระแสไหลน้อย Tap Changer ชนิด Off Load จะต้องดับไฟฟ้าก่อนที่จะเปลี่ยน Tap Changer ได้ ปกติ Tap Changer จะมี 5 Tap แต่ละ Tap จะทำให้แรงดันไฟฟ้าเปลี่ยนไป ประมาณ 2.5 % โดยหมุนปรับตามเข็มนาฬิกา ซึ่งแต่ละต่ำแหน่งที่หมุนเพิ่มขึ้น จะเป็นการลดจำนวนรอบของขดลวด

รูปที่ 5 แสดง Tap Changer

รูปที่ 6 แสดง Connection Diagram ของ Tap Changer

6. Dual Voltage Switch เป็นอุปกรณ์ที่ใช้เลือกรับแรงดันในระบบจำหน่ายว่าจะรับ 12 kV หรือ 24 kV (ระบบจำหน่าย กฟน.)ได้ เมื่อเราปรับสวิตช์ดังกล่าวไปที่ตำแหน่ง 12 kV ขดลวดแรงสูง 2 ชุด จะต่อขนานกัน เพื่อใช้กับระบบจำหน่าย 12 kV ในทำนองเดียวกัน ถ้าปรับไปที่ตำแหน่ง 24 kV ดังรูปที่ 6 ขดลวดแรงสูง 2 ชุด จะต่ออนุกรมกัน เพื่อใช้กับระบบจำหน่าย 24 kV และการปรับเปลี่ยนตำแหน่ง Dual Voltage Switch จะต้องทำในขณะหม้อแปลงไม่มีไฟฟ้าเท่านั้น  

7. น้ำมันหม้อแปลง เนื่องจากการสูญเสียทางไฟฟ้าจะทำให้เกิดความร้อน ซึ่งจะทำให้วัตถุมีอุณหภูมิสูง ขึ้นจนถึงจุดที่อาจชำรุดได้ ถ้าไม่มีการระบายความร้อนนั้นออกจากวัตถุอย่างมีประสิทธิภาพ ในหม้อแปลงขีดจำกัดของอุณหภูมิขึ้นอยู่กับกระดาษหรือฉนวนอื่น ๆ ซึ่งอาจร้อนเกินไปจนชำรุด ใช้งานไม่ได้เลย น้ำมันในหม้อแปลงเป็นตัวกลางที่มีประสิทธิภาพในการถ่ายเทความร้อน จากแกนเหล็ก และขดลวด สู่ภายนอก  

น้ำมันหม้อแปลงใช้เป็นฉนวนไฟฟ้าได้อย่างดีในหม้อแปลง ซึ่งมีศักย์ทางไฟฟ้าต่างกันระหว่างจุดต่าง ๆ ในหม้อแปลง ทำให้หม้อแปลงจ่ายโหลดได้เกิน Rated Capacity และสามารถทนต่อ Transients Voltage เนื่องจากฟ้าผ่าหรือ Switch Surge ได้ นอกจากนี้น้ำมันหม้อแปลงยังสามารถเพิ่มประสิทธิภาพของฉนวนที่เป็นของแข็ง ได้โดยการแทรกเข้าไปในช่องระหว่างขั้วของฉนวนที่พันกันไว้ หลังจากที่ทำให้แห้งและดูดเอาอากาศออกแล้ว จะได้กระดาษหรือผ้าที่เป็นฉนวนอย่างดี   

เนื่องจากน้ำมันหม้อแปลงมีความสำคัญยิ่งสำหรับหม้อแปลง ดังนั้นการเลือกใช้คุณสมบัติที่สำคัญของน้ำมันหม้อแปลง เพื่อที่จะทำหน้าที่ได้อย่างสมบูรณ์เป็นเวลานาน ควรมีดังนี้

1. มีคุณสมบัติทางไฟฟ้าดี มีค่าความเป็นฉนวน (Dielectric Stenge) สูง

2. ระบายความร้อนได้ดี มีความหนืด (Viscosity) ต่ำ

6. สะอาดปราศจากความชื้น หรือสิ่งเจือปนต่าง ๆ

รูปที่ 7 แสดงโครงสร้างหม้อแปลงจำหน่าย

8.ขดลวด (Coil or Winding) หม้อแปลงมีขดลวด 2 ชุด คือขดลวดแรงสูง (Primary Winding) และขดลวดแรงต่ำ (Secondary Winding) ขดลวดแรงสูงจะรับแรงดันไฟฟ้าแรงสูงจากสายป้อนและเหนี่ยวนำกับขดลวดแรงต่ำเกิดแรงดันไฟฟ้าออกมาจากหม้อแปลง วัสดุที่ใช้เป็นทองแดงรีดอ่อนหุ้มฉนวนกระดาษหรือเคลือบสารฉนวน ลวดที่ใช้มีทั้งขนาดหน้าตัดกลม สี่เหลี่ยมผืนผ้า รวมทั้งเป็นแผ่นบาง ๆ (Foil)

9. แกนเหล็ก (Core) โดยทั่วไปหม้อแปลง 1 เฟส และ 3 เฟส จะมีลักษณะโครงสร้างแกนเป็น 2 และ 3 แกน ตามลำดับ และแกนเหล็กสามารถแบ่งออกได้เป็น 2 ชนิด 

9.1 Wound Core ใช้เหล็ก Grain-Oriented Silicon Steel ซึ่งเหมาะสมที่สุดในการมาทำ Wound Core เพราะหลังจากขึ้นรูปพิเศษแล้วจะทำให้ได้ค่าสูญเสีย (Loss) และค่ากระแสขณะไม่มีโหลดมีค่าน้อย เนื่องจากโครงสร้างของ Wound Core มีจุดต่อเพียงจุดเดียวดังรูป 11 โดยแผ่นเหล็กแต่ละแผ่นจะวางเรียงกันในลักษณะ Step-Lap (คือการวางตำแหน่งต่อกันของแผ่นเหล็กแต่ละแผ่นวางเหลื่อมกัน

รูปที่ 8 แสดงแกนเหล็ก Wound Core

9.2 Stacking Core แกนเหล็กชนิดนี้จะมีพื้นที่หน้าตัด (Core Section) เป็นแบบสี่เหลี่ยมผืนผ้าหรือจัตุรัส หรือแบบย่อมุม (Stepped Core) นั้นขึ้นอยู่กับขนาดของ kVA ของหม้อแปลง โดยแกนเหล็กแบบสี่เหลี่ยมผืนผ้า และจัตุรัส จะเปลืองลวดพันคอยล์และมีค่า Loss มากกว่าแบบย่อมุม

แกนเหล็กแบบนี้ เป็นเหล็กชนิด Low-Loss High-Grade Silicon Steel เช่นกัน และที่ผิวของแผ่นเหล็กจะเคลือบด้วยฉนวนที่มีค่าความต้านทานสูง เพื่อลดค่ากระแส Eddy Current Loss ให้มีค่าต่ำ ๆ บริเวณรอยต่อของแกนเหล็ก จะใช้วิธีวางซ้อนสลับและถูกอัดแน่นโดยใช้สลักเกลียว (Bolt) เพื่อลดการสั่นและลดเสียงรบกวน

10.บุชชิ่ง (Bushing) ทำมาจาก Porcelain หรือ China Stone ทำหน้าที่เป็นฉนวนกั้นระหว่างขั้วไฟฟ้าแรงสูง-แรงต่ำ กับตัวถัง ในหม้อแปลงแต่ละลูกจะมีบูชชิ่งอยู่ 2 ชุด คือ บูชชิ่งแรงสูง และบูชชิ่งแรงต่ำ

รูปที่ 10 แสดง บุชชิ่งแรงต่ำและบุชชิ่งแรงสูง

11. ปะเก็น ทำหน้าที่ รองรับบูชชิ่งกับตัวถังหรือฝาถังกับตัวถัง จุดประสงค์เพื่อกันความชื้นเข้าภายในหม้อแปลงและกันน้ำมันที่บรรจุภายในตัวถังหม้อแปลง รั่วออกมาภายนอก ปะเก็นที่ใช้มี 2 แบบ คือไม้ Cork ผสมยาง หรือยาง Nitrile คุณสมบัติของปะเก็นคือ จะต้องทนน้ำมัน ไม่บวม ทนความร้อน ไม่แข็ง

12. Oil Temperature เป็นเครื่องมือสำหรับวัดอุณหภูมิของน้ำมันหม้อแปลง โดยวัดจากส่วนบนของตัวถังหม้อแปลง ภายในจะมี Mercury Contact ซึ่งจะไปควบคุมการเปิดปิดพัดลม

รูปที่ 11 แสดงเทอร์โมมิเตอร์ที่ใช้วัดอุณหภูมิของน้ำมันหม้อแปลง

13. ถังหม้อแปลงและฝาถัง (Transformer Tank and Cover) ถังหม้อแปลงเป็นส่วนที่อยู่ภายนอกสุด ใช้บรรจุชิ้นส่วนอุปกรณ์ต่าง ๆ เช่น ขดลวด แกนเหล็ก น้ำมันหม้อแปลง ตลอดจนใช้ติดตั้งอุปกรณ์ต่าง ๆ เช่น บุชชิ่ง ล่อฟ้า ฯลฯ

1. แบบท่อ (Tube) จะพบการระบายความร้อนแบบนี้กับหม้อแปลง 1 เฟส และ 3 เฟส ขนาดเล็ก

รูปที่ 12 แสดงหม้อแปลงที่มีระบายความร้อนแบบท่อ

2. แบบ Panel มีลักษณะเป็นแผงสี่เหลี่ยมซ้อนกัน โดยบริเวณตอนบนและตอนล่างจะถูกปั้มนูนเป็นวงกลมแล้วเจาะรู จากนั้นจึงเชื่อมเรียงเข้าด้วยกันเป็นชั้น ๆ แผงระบายความร้อนแบบนี้อาจมีข้อเสียคือ ถ้าเชื่อมติดกันไม่ดีพอ อาจมีน้ำมันรั่วไหลได้

รูปที่ 13 แสดงหม้อแปลงที่มีระบายความร้อนแบบ Panel

3. แบบ Corrugated Radiator มีลักษณะเป็นลอนลูกฟูก (Corrugate) และมีจุดเชื่อมน้อยกว่าแผงระบายความร้อนแบบ Panel และระบายความร้อนได้ดีกว่า 8%  

รูปที่ 14 แสดงหม้อแปลงที่มีระบายความร้อนแบบ Corrugated Radiator              

ฝาถังใช้ปิดตัวถังหม้อแปลงเพื่อป้องกันไม่ให้ความชื้นเข้าภายในหม้อแปลง ใช้ติดตั้ง บูชชิ่งแรงสูง แรงต่ำ และยังมี Hand Hold Cover สำหรับเปิดตรวจสอบสภาพภายในและปรับตำแหน่ง Tab Changer ฝา Hand Hold จะมีใช้กับหม้อแปลง 1 เฟส ทุกขนาด และหม้อแปลง 3 เฟส ขนาด 45-500 kVA     

การประกอบถังกับฝาถังหม้อแปลงที่พบเห็น มี 3 แบบ คือ

จากการติดตั้งถังกับฝาถัง จะต้องมีการต่อกันทางไฟฟ้าด้วยทองแดงแผ่น (Bonded Wire) เพื่อให้ถังและฝาถังมีศักย์ดาไฟฟ้าเท่ากัน เพราะถ้าไม่มี Bonded Wire ขณะที่หม้อแปลงจ่ายไฟถังกับฝาถังจะมีลักษณะคาปาซิเตอร์ ซึ่งถ้ามีการคายประจุ (Discharge) ก็อาจเกิดการสปาร์ก มีประกายไฟและเกิดระเบิดได้

ลักษณะการชำรุดของหม้อแปลง

1. จากแรงภายนอก ได้แก่

- บูชชิ่งบิ่น แตก หรือหัก อันเนื่องมาจากการขนส่งหรือรถชนเสา

- ถังหม้อแปลงหรือถังน้ำมันรั่ว เนื่องมาจากแรงกระแทกหรือเป็นสนิม

- ปะเก็นรั่ว น้ำมันซึม เนื่องจากน๊อตหลวมหรือลูกยางเสื่อมคุณภาพ

2. จากกการใช้งาน ได้แก่

- น้ำมันเสื่อมคุณภาพ มีความชื้น ทดสอบได้จากการวัดค่าฉนวนของน้ำมันสามารถทำให้เกิดการลัดวงจรระหว่างขดลวดหรือการอาร์กขึ้นที่ Tap Changer ได้

- ฉนวนชั้นรองขดลวดเสื่อมสภาพ หรือไม่ได้ค่าตามพิกัด ทำให้เกิดการลัดวงจรของขดลวด จะมีรอยไหม้ของขดลวดปรากฏให้เห็น ส่วนใหญ่น้ำมันจะเสื่อมคุณภาพตามไปด้วย

- จ่ายโหลดเกินพิกัดเป็นเวลานาน ทำให้เกิดความร้อนสูงในขดลวด จนเป็นเหตุให้ฉนวนของขดลวดไหม้ได้และเกิดการลัดวงจรในขดลวดอย่างรุนแรง น้ำมันจะมีเขม่าดำและเสื่อมคุณภาพไปด้วย

- แรงดันไฟฟ้าเกินพิกัดของหม้อแปลง เช่น ฟ้าผ่า ส่วนใหญ่จะมีรอยไหม้เป็นจุดระหว่างชั้นของขดลวดชั้นแรก ๆ ปรากฏให้เห็นส่วนใหญ่

- เกิดการลัดวงจรภายนอกหม้อแปลง ทำให้มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านขดลวดมากกว่าปกติ ทำให้เกิดแรงระเบิดเป็นผลให้ขดลวดทะลักออกอย่างรุนแรง

- ชำรุดในวงจรแม่เหล็ก เนื่องมาจากแกนเหล็กเสื่อมคุณภาพ เช่น ใช้งานมานาน หรือถูกความชื้นมากจนฉนวนเคลือบแผ่นเหล็กหลุดหายไป ทำให้ผิวเหล็กสัมผัสกัน จะปรากฏมีสนิมเกาะตามแผ่นเหล็ก

ลักษณะของหม้อแปลงที่ส่งซ่อม

1.หม้อแปลงซ่อมย่อย

เป็นหม้อแปลงที่ทดสอบว่าขดลวดยังสามารถใช้งานได้โดยไม่ต้องมีการพันใหม่ ได้แก่ หม้อแปลงที่มีการใช้งานมานาน ต้องมีการเข้ามาซ่อมบำรุงก่อนการนำไปติดตั้งใหม่ โดยการเปลี่ยนน้ำมัน ปะเก็น ลูกยาง ซ่อมถัง เป็นต้น

2.หม้อแปลงซ่อมใหญ่

เป็นหม้อแปลงที่เสียหายมาก ไม่ว่าจะเกิดจากแรงภายนอกมากระทำ เช่น ถูกรถชน หรือเกิดการลัดวงจรภายใน ทำให้ขดลวดเสียหายมาก หม้อแปลงชนิดนี้ต้องมีการประเมินราคาเสียก่อนว่าคุ้มค่าต่อการซ่อมหรือไม่ ถ้าราคาค่าซ่อมมีค่าใช้จ่ายใกล้เคียงกับหม้อแปลงใหม่ การซื้อหม้อแปลงใหม่ดูจะคุ้มค่ากว่า โดยการประมาณราคาจะมีขั้นตอน ดังนี้

- ดูลักษณะภายนอกตรวจรายการที่ชำรุด

- วัดค่าความเป็นฉนวน

- ทำการซ่อมต่อไป

เอกสารอ้างอิง

- โครงสร้างหม้อแปลงไฟฟ้าและคาปาซิเตอร์ในระบบจำหน่าย โดย กองฝึกอบรมด้านช่าง ฝอร.กฟน.